◎北京航天自動控制研究所 吳潤 王知非 方煥輝 趙曉嵐 姬傳義

控制系統(tǒng)集成交付平臺的建設(shè)實踐

◎北京航天自動控制研究所 吳潤 王知非 方煥輝 趙曉嵐 姬傳義

基于系統(tǒng)工程學、運籌學和控制理論方法，利用統(tǒng)計學方法分析比對多年型號控制系統(tǒng)批生產(chǎn)交付以及綜合試驗的經(jīng)驗，完成了控制系統(tǒng)集成交付平臺數(shù)學模型設(shè)計，建立了產(chǎn)品基線等4個維度體系，并利用網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃方法確認關(guān)鍵流程，通過流程改造的方法完成過程優(yōu)化。根據(jù)最優(yōu)工序路徑完成了集成交付現(xiàn)場的新規(guī)劃布局，同時，結(jié)合集成交付試驗協(xié)作指揮流程并利用多媒體技術(shù)工具，實現(xiàn)了對平臺運行情況的實時控制監(jiān)測。

近年來，以某戰(zhàn)略型號為代表的新一代導彈武器研制、列裝任務迫在眉睫，其控制系統(tǒng)采用了大量新技術(shù)，呈現(xiàn)出高度集成化、海量測試數(shù)據(jù)、測試流程異常復雜、型號研制與批生產(chǎn)周期極大縮短等新特點，傳統(tǒng)研制、測試模式的不適應性逐漸顯現(xiàn)。

面對內(nèi)外部環(huán)境變化和形勢任務要求，北京航天自動控制研究所于2014年4月發(fā)布了《北京航天自動控制研究所未來10年發(fā)展戰(zhàn)略（2014～2023）》，提出“技術(shù)引領(lǐng)、產(chǎn)品驅(qū)動、人才強所、管理轉(zhuǎn)型”的發(fā)展戰(zhàn)略，建成控制系統(tǒng)集成交付平臺，并實現(xiàn)用最短的時間和最少的資源交付用戶最好的產(chǎn)品?？刂葡到y(tǒng)集成交付是根據(jù)型號、系統(tǒng)、分系統(tǒng)、單機和軟件產(chǎn)品的設(shè)計與使用特點，按照系統(tǒng)級產(chǎn)品的思路開展各項任務，其實質(zhì)是將飛行控制系統(tǒng)、測試發(fā)射控制系統(tǒng)形成系統(tǒng)級產(chǎn)品向用戶整體交付。

一、集成交付平臺的建設(shè)實踐

1．現(xiàn)狀分析與總體思路

研究所原有的型號研制模式為：控制系統(tǒng)對配套產(chǎn)品完成規(guī)劃，在產(chǎn)品完成設(shè)計后將生產(chǎn)圖紙交給配套生產(chǎn)單位進行整機生產(chǎn)，或由研究所負責提出整機技術(shù)任務書，相關(guān)配套單位進行整機的研制和生產(chǎn)，產(chǎn)品由生產(chǎn)單位直接交付使用方，生產(chǎn)單位對產(chǎn)品的生產(chǎn)質(zhì)量負全責。近年來，隨著各專業(yè)分工的日趨精細，控制系統(tǒng)配套單位不斷增加，責任更加分散，傳統(tǒng)的產(chǎn)品研制模式已越來越不適應當前的需求。因此，針對現(xiàn)有生產(chǎn)狀況及特點，研究所必須提升精細化管理水平、提升產(chǎn)品集成驗證能力及系統(tǒng)抓總能力。

控制系統(tǒng)集成交付承擔的系統(tǒng)級產(chǎn)品主要包括飛行控制系統(tǒng)、測試發(fā)射控制系統(tǒng)?？紤]各型號以及不同研制階段的控制系統(tǒng)在測試項目、流程和設(shè)備等方面的相似性，結(jié)合集成交付平臺建設(shè)的經(jīng)濟性等因素，控制系統(tǒng)集成交付平臺的建設(shè)采用“試點先行、穩(wěn)步推進”的工作總體思路，通過型號試點建立成熟模型并逐步推廣展開，最終建立完善的集成交付體系。

2．頂層框架模型設(shè)計

（1）霍爾三維結(jié)構(gòu)

控制系統(tǒng)集成交付平臺涉及面廣、參與單位多、規(guī)模龐大、技術(shù)狀態(tài)和試驗流程復雜，各專業(yè)產(chǎn)品驗證點彼此交叉、整體又緊密耦合，是集技術(shù)、管理和基礎(chǔ)建設(shè)為一體的龐大系統(tǒng)工程。

為了更優(yōu)化地建設(shè)一套集成交付體系，將現(xiàn)代系統(tǒng)科學理論、觀點和方法引入其中，運用系統(tǒng)工程和運籌學思想，通過統(tǒng)計分析樣本數(shù)據(jù)構(gòu)建霍爾三維結(jié)構(gòu)模型，從時間維、邏輯維、專業(yè)維3個方面刻畫系統(tǒng)工程的組成及空間結(jié)構(gòu)，將其集成為一個大的關(guān)聯(lián)系統(tǒng)，從而實現(xiàn)軟、硬件的相互集成，資源有效整合，提高產(chǎn)品測試方法成熟度、覆蓋性、通用性和可靠性。三維結(jié)構(gòu)形象地描述了系統(tǒng)集成研究的框架，對其中任一階段和每一個步驟進一步展開，形成分層的立體結(jié)構(gòu)體系。控制系統(tǒng)集成交付平臺的霍爾三維結(jié)構(gòu)模型如圖1所示。

從時間維、邏輯維、專業(yè)維3個方面入手，根據(jù)霍爾活動矩陣對各種要素進行分析，制定應對策略和方案，進行優(yōu)選判定，再通過神羊角模型進行迭代性和收斂性分析，并將控制理論中的負反饋思想引入模型設(shè)計，最終按照圖2的邏輯經(jīng)過設(shè)計分析改進得到最優(yōu)輸出。

（2）多維數(shù)學模型

通過優(yōu)化分析設(shè)計及實際驗證最終完成了控制系統(tǒng)集成交付平臺多層次數(shù)學模型的設(shè)計，建立了產(chǎn)品基線、測試基線、人員協(xié)作基線、文件標準基線4個維度立體空間體系。

測試基線主要從霍爾三維模型時間維展開，按照產(chǎn)品的集成交付工作特性依次進行各項目單元，利用網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃方法將線性流程有效優(yōu)化，并通過交叉、并行、迭代等手段提升流程效率。部分復雜單元逐層向下延展，結(jié)合產(chǎn)品基線特性自頂向下分層設(shè)計，從系統(tǒng)層、分系統(tǒng)層、單機層逐層深入進行測試覆蓋性的設(shè)計工作。

針對目前控制系統(tǒng)研制、批生產(chǎn)過程中大型復雜系統(tǒng)級產(chǎn)品的測試性分析靠人工方式難以實現(xiàn)的現(xiàn)狀，開展測試性自動化分析手段建設(shè)，尋找測試過程中存在的薄弱環(huán)節(jié)，進而改進試驗方法和測試流程以提高測試覆蓋性，確保飛行的可靠性。此外，還對系統(tǒng)故障診斷和健康及時監(jiān)測技術(shù)進行技術(shù)儲備，以滿足武器系統(tǒng)的快速測試和發(fā)射需求，進一步提高系統(tǒng)級產(chǎn)品測試的覆蓋性、準確程度和合理性。系統(tǒng)級產(chǎn)品測試性設(shè)計與分析系統(tǒng)主要由測試性分析基本模塊、系統(tǒng)實時診斷工具模塊、測試性模型和數(shù)據(jù)管理工具及測試性職能管理助手組成。

可測試性建模是進行產(chǎn)品測試性分析、評估與優(yōu)化的基礎(chǔ)。借鑒國外武器系統(tǒng)在可測試性分析工具上的成功運用，采用多信號流圖模型的建模方法確定了層次化的建模機制，能夠清晰地描述系統(tǒng)、子系統(tǒng)、單機、功能模塊、元器件等不同層次之間的可測試性信息，可以把專家對系統(tǒng)的理解和測試診斷經(jīng)驗簡單直觀地轉(zhuǎn)換成專家知識，并以模型化的文檔形式保存，同時方便系統(tǒng)模型和測試性設(shè)計的修改與優(yōu)化。

圖1 控制系統(tǒng)集成交付平臺的霍爾三維結(jié)構(gòu)

圖2 系統(tǒng)集成交付平臺設(shè)計邏輯及反饋機制

控制系統(tǒng)在測試流程的設(shè)計上，基本是從自身型號的特點出發(fā)，經(jīng)過仿真驗證后進行設(shè)計，做到系統(tǒng)測試項目覆蓋出廠測試項目，出廠測試項目覆蓋靶場測試項目。另外，在測試時長的安排上，系統(tǒng)測試和出廠測試也可以覆蓋靶場測試，避免出現(xiàn)由于時長不同導致其它異?，F(xiàn)象發(fā)生。同時，進行系統(tǒng)級產(chǎn)品的環(huán)境試驗設(shè)計，實現(xiàn)控制系統(tǒng)集成產(chǎn)品在實際安裝環(huán)境中進行的電磁兼容性、運輸、振動、低溫、高溫等機械力學環(huán)境試驗和氣候環(huán)境試驗，而且要盡量模擬出綜合環(huán)境。

產(chǎn)品基線按照系統(tǒng)級、分系統(tǒng)級、單機級產(chǎn)品展開各項工作，在設(shè)計模型時與測試基線有效結(jié)合?？倷z查測試一般驗證系統(tǒng)級產(chǎn)品的主要性能指標，各分系統(tǒng)測試主要驗證分系統(tǒng)產(chǎn)品的主要性能，單機進行單元測試驗證。

總檢查測試是模擬飛行狀態(tài)下系統(tǒng)工作情況的全面檢查。分系統(tǒng)測試針對控制系統(tǒng)進一步細分為平臺系統(tǒng)、伺服系統(tǒng)、時序系統(tǒng)和電源配電系統(tǒng)、安全控制系統(tǒng)等測試。單元測試是對單機功能和性能指標進行的全面檢查，在單機任務書中特別強調(diào)測試覆蓋性的設(shè)計和考慮，具體要求包括測試的全面性、冗余功能的可測試性以及模擬各種工況的真實性。各層考慮各層的功能覆蓋需求，并對下層提出明確的測試性及測試覆蓋性的設(shè)計要求，包括接口測試、冗余功能測試、邏輯測試要求等。

按照控制系統(tǒng)產(chǎn)品的不同特性，研制、測試、批生產(chǎn)過程一般包括以下試驗內(nèi)容：單機級試驗一般包含下廠驗收、入所復驗、篩選試驗、驗收試驗、例試試驗、鑒定試驗；專項試驗一般包含姿控系統(tǒng)數(shù)學仿真、等效器仿真、半實物仿真試驗，制導系統(tǒng)閉路仿真試驗，控制系統(tǒng)綜合試驗，控制系統(tǒng)可靠性環(huán)境試驗，軟件全數(shù)字仿真系統(tǒng)測試，通用PLC軟件測試；系統(tǒng)級試驗一般包含飛行控制系統(tǒng)綜合試驗、測試發(fā)射控制系統(tǒng)綜合交收試驗、控制系統(tǒng)匹配試驗、控制系統(tǒng)環(huán)境試驗（熱待機、高溫淋雨、運輸?shù)龋?/p>

人員協(xié)作基線主要按照系統(tǒng)集成交付涉及的各個相關(guān)部門展開，產(chǎn)品設(shè)計、生產(chǎn)時依照總體室—系統(tǒng)室—單機/軟件室—生產(chǎn)廠單位—特裝庫房—集成測試的流程展開。

文件標準基線構(gòu)建了一套從崗位規(guī)范、文件規(guī)范、設(shè)備管理規(guī)范到具體的工藝文件、操作細則的文件標準體系，確保所有過程均有據(jù)可依、有章可循，每個環(huán)節(jié)質(zhì)量受控，可以指導設(shè)計、工藝、測試、檢驗、庫房等各類崗位人員開展工作。

3．流程優(yōu)化方法

基于霍爾三維模型充分考慮測試、產(chǎn)品、人員、標準維度的多種耦合聯(lián)系，在控制系統(tǒng)集成交付平臺框架模型基礎(chǔ)上，利用網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃方法對測試基線的工序流程進行優(yōu)化設(shè)計，以提高試驗效率，合理配置資源，提升集成交付管理水平。

以某型號集成交付的典型工序流程為例，經(jīng)統(tǒng)計分析得出各工序時間參數(shù)表，并在表中列出工序代號、所需工時以及緊后工序，具體見表1。

根據(jù)表1畫出集成交付工序流程網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃圖（見圖3），分析比對各個方案確認關(guān)鍵路徑。

分析各工序影響程度可以看出調(diào)整性試驗、機柜裝調(diào)、穩(wěn)定性與拉偏試驗和準備階段對集成交付過程影響最大、周期最長，約占整個比例的70%，在網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃中應重點考慮其造成的影響，制定針對性策略。

通過工序分解、交叉、并行、改進、分類等方法簡化集成過程，合理重排順序，優(yōu)化資源配置，實現(xiàn)流程樹分級壓縮，任務流程分支細化，流程扁平化管理，完成了最優(yōu)路徑設(shè)計。

4．質(zhì)量控制方法設(shè)計

（1）基于Mind manager軟件的過程質(zhì)量控制體系

基于Mind manager軟件以具體系統(tǒng)集成交付工作流程為主線，結(jié)合工藝規(guī)程不斷測量、分析、改進、控制，將質(zhì)量控制落實到每一個工序、每一步操作。每一個細小的環(huán)節(jié)均有相對應的依據(jù)文件、操作規(guī)范、檢查表格、崗位配置，確定質(zhì)量控制點、注意事項和相應的責任人，強調(diào)精細化、表格化、流程化、規(guī)范化管理，并對交收檢驗中發(fā)現(xiàn)的問題進行全程追蹤處理，增強知識的積累。

表1 集成交付工序參數(shù)表

質(zhì)量控制體系更加強調(diào)可視化的管理，將存在于龐大技術(shù)文件、標準規(guī)范中的各種參數(shù)要求通過流程圖形象、直觀地表示出來，點開每一環(huán)節(jié)均有相應的操作規(guī)程指導以及責任人、崗位配置、檢查表格、重點需要關(guān)注的地方等信息。

（2）基于統(tǒng)計質(zhì)量控制的系統(tǒng)集成過程質(zhì)量監(jiān)測

利用統(tǒng)計質(zhì)量控制方法，對系統(tǒng)集成交付過程關(guān)鍵特性進行分析，得到過程控制統(tǒng)計量化值與偏離系數(shù)，具體包括期望時間（分析統(tǒng)計得出完成工序所用的標準時間）、實操時間（完成工序的實際時間）、偏離系數(shù)（實操時間/期望時間）。

利用分析用控制圖，對多套集成交付中積累的樣本值進行統(tǒng)計分析，繪制單值—移動極差圖（I-MR控制圖），計算出偏離系數(shù)的控制線。設(shè)計過程控制用控制圖對工序過程偏離系數(shù)進行實時監(jiān)測，當偏離系數(shù)發(fā)生異常時，控制圖會實時報警并通過對樣本值的分析判斷報警類型，以達到對集成過程的監(jiān)控。

5．指揮調(diào)度系統(tǒng)建設(shè)

圖3 集成交付流程網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃圖

利用視頻、語音等多媒體手段，以及可輸出的電子白板、協(xié)同指揮計算機等工具，建立了一套較為完善的試驗協(xié)調(diào)指揮調(diào)度系統(tǒng)，包括語音指揮調(diào)度系統(tǒng)和多媒體視頻監(jiān)控系統(tǒng)。利用該系統(tǒng)可以結(jié)合集成交付試驗協(xié)作指揮流程，更好地進行集成交付試驗過程的質(zhì)量控制，同時也增強了集成交付試驗的可追溯性，使各種試驗現(xiàn)象和操作記錄更加精確。

二、實踐效果和后續(xù)思路

1．實踐效果

控制系統(tǒng)集成測試是型號研制、批生產(chǎn)過程中的重要環(huán)節(jié)，是控制系統(tǒng)產(chǎn)品研制、生產(chǎn)、交付的最后一道關(guān)卡，是客觀評價控制系統(tǒng)質(zhì)量的重要方法。集成測試平臺過程狀態(tài)控制的好壞直接影響到批生產(chǎn)的結(jié)果評判，進而影響到整個型號的質(zhì)量控制。

北京航天自動控制研究所在某型號中推廣、應用控制系統(tǒng)集成交付平臺，極大地提升了試驗效率，增強了集成交付過程質(zhì)量控制能力及測試覆蓋性，使測試流程更加細化，交收檢驗過程更加合理、優(yōu)化，節(jié)約了批生產(chǎn)綜合交收檢驗的時間、人力、物力等資源。與傳統(tǒng)的綜合交收檢驗模式相比較，提升了控制系統(tǒng)的抓總能力，加強了系統(tǒng)級產(chǎn)品的優(yōu)化設(shè)計能力，加強了控制系統(tǒng)系統(tǒng)級產(chǎn)品生產(chǎn)質(zhì)量的保證能力，構(gòu)建了更加適應多型號、多任務的產(chǎn)品生產(chǎn)體系。

2．后續(xù)思路

控制系統(tǒng)集成交付平臺率先在某型號控制系統(tǒng)和某型號測試發(fā)射控制系統(tǒng)展開試點，取得良好效果后逐步推廣到其它同類型號，最終構(gòu)建一個適應多型號、多任務以及批生產(chǎn)要求的通用性集成交付平臺，通過持續(xù)的生產(chǎn)設(shè)施建設(shè)和人員培養(yǎng)建立起完善的生產(chǎn)管理體系，提升新形勢、新任務下研究所對控制系統(tǒng)的抓總能力和系統(tǒng)交付能力，確保后續(xù)型號高密度發(fā)射任務能夠順利完成。?